Outils de diagnostic de l’état de la plateforme

Comme vu précédemment, le train Mauzin permet de diagnostiquer l’état de la géométrie de la voie.

On présente ici les autres outils permettant de diagnostiquer l’état de la plateforme. Les différents matériels ayant été utilisés pour réaliser l’analyse de la voie entre Niort et La Rochelle sont :

Train carotteur : ce train, appartenant à l’Européenne des Travaux Ferroviaires (ETF), permet de réaliser des carottages en pleine voie. Les carottes, de diamètre 270 mm et de type simple enveloppe, permettent d’avoir une information sur la géométrie et l’état des structures en place ainsi que sur celui du sol support. Cet engin est utilisé avant la réalisation d’un RVB pour provisionner d’éventuels travaux en plateforme.

Cet outil donne un signal assez caractéristique lorsque les sondages sont réalisés dans une zone de remontée boueuse. En effet, ces zones sont caractérisées par l’absence de remontée de carotte (lorsque l’état hydrique est élevé) liée à une non-tenue des terrains.

Depuis 2009 la SNCF a lancé un programme de recherche destiné notamment à avoir une alternative au train carotteur. En effet, celui-ci ne peut à lui seul ausculter l’ensemble du linéaire prévu pour le renouvellement. Ainsi, la recherche Technique de Diagnostic de la VOIE Ballastée (TEDIVOIE B) explore de nouvelles approches non destructives de diagnostic tout en conservant les capacités de l’infrastructure. Les méthodes testées actuellement sont :

Le PANDA® : La méthodologie de sondage proposée est basée sur le couplage d’essais pénétrométriques PANDA® et géoendoscopiques (Figure I.25). Celle-ci est détaillée dans un référentiel SNCF IN 4103. L’essai PANDA® consiste à enfoncer par battage un train de tiges de faible diamètre dans le sol. L’outil mesure la résistance de pointe du sol en fonction de la profondeur. L’essai

géoendoscopique vient compléter l’essai pénétrométrique et caractérise la nature et l’épaisseur des couches. Cet essai consiste à introduire un endoscope de 8 mm de diamètre dans la cavité réalisée suite à l’essai PANDA. Un enregistrement vidéo de la cavité est effectué. Une analyse d’images est réalisée pour caractériser les différentes couches de terrain ainsi que l’état d’humidité du sol.

Essai pénétrométrique Essai géoendoscopique

Figure I.25 : Principe de fonction des essais pénétrométrique et endoscopique

Cette méthodologie permet d’obtenir une caractérisation détaillée (Figure I.26) de chaque couche d’assise, notamment la résistance de pointe du sol, son épaisseur, sa nature (ballast sain, ballast colmaté, sous couche, plateforme) et son état hydrique (qualitatif).

L’ensemble de ces données est synthétisé dans un tableau récapitulatif rattaché au référentiel de sondages SNCF.

Figure I.26 : Livrable type d’un essai panda ™ (Sol Solution)

La pertinence des résultats obtenus a pu être vérifiée lors de différentes études réalisées par le Département Etudes de Lignes de la Direction de l’Ingénierie SNCF (lignes St Benoit – La Rochelle / Le Monastier — La Bastide St Laurent les Bains…).

Le Géoradar : l’auscultation des plateformes ferroviaires (structure d’assise et ballast) par géoradar permet d’analyser la structure quelques mètres sous la surface (+/- 2m) à l’aide d’onde de haute fréquence. Cette technique permet de réaliser des mesures en continu à grande vitesse (80 km/h), sans intervenir sur la plateforme. La qualité de l’acquisition, et sa précision dépendent de la vitesse du train.

Cette technique permet, en général, de fournir des renseignements (Figure I.27) en continu sur : - l’épaisseur du ballast et de la sous-couche (ou couche intermédiaire),

- les zones de ballast propre ou de ballast colmaté, - les problèmes de drainage dans le ballast et l’assise,

- les tronçons avec problèmes de capacité porteuse (affaissement, poche de ballast), - la régularité du fond de couche de ballast ou de la sous-couche,

- la section transversale de la voie afin d’obtenir un profil en travers de la voie à n’importe quel endroit. Cette représentation permet de mieux visualiser les irrégularités de fond de couche du ballast ou de la couche intermédiaire.

Figure I.27 : Exemple de sortie graphique fournie par la société Ground Control

Ainsi, le couplage de ces deux techniques Panda-Géoradar permet de réaliser un diagnostic relativement précis de l’état de la plateforme et de proposer des solutions techniques aussi adéquates que possible.

a. Situation géologique et hydrogéologique

La ville de Niort est assise sur des terrains calcaires graveleux séparés du Marais poitevin par un accident tectonique connu sous le nom de la faille d’Aiffres. Celle-ci longe la zone d’ennoyage de la vallée de la Sèvre Niortaise en traversant la dépression de calcaires et marnes partiellement remblayée par des sédiments fluviatiles fins. Ensuite, la ligne ferroviaire recoupe cinq grands ensembles géologiques. Le premier principalement constitué des terrains du Jurassique moyen, composé de calcaires graveleux ou à silex pouvant être très dur, autour du Pk 74, au niveau de la gare de Niort.

L’épaisseur des bancs passe du décimètre au mètre et l’épaisseur totale de la couche peut atteindre 20 m. Au Pk 75, le tracé traverse un bras d’alluvions fluviatiles argilolimoneuses à argilocalcaires. Leur épaisseur est en général faible d’une vingtaine à une cinquantaine de centimètres (voire un mètre dans la vallée du Mignon).

Figure I.28 : Carte géologique de la ligne étudiée

Le deuxième type d’ensemble, traversé par la ligne sur une courte distance, commence à la sortie de la ville, vers le Pk 76. Les terrains sont constitués de bancs calcaires fins, plus ou moins argileux, fossilifères, allant de tendres à durs, intercalés par des lits de marnes ou d’argiles. L’épaisseur des bancs est centimétrique à métrique.

Le troisième type, recoupé par la ligne est représenté par des marnes. Du Pk 76 au Pk 79 (inclus), la ligne traverse des sols constitués de marnes grises fossilifères sur des épaisseurs d’environ 20 m (l’épaisseur totale de la couche atteignant 40 m). Ces marnes peuvent être intercoupées par des bancs minces de calcaire plus ou moins argileux pouvant parfois être sublithographiques (durs). Le long du Pk 79, la ligne traverse aussi la Guirande qui repose sur les alluvions fluviatiles argilolimoneuses à argilocalcaires et sur des grèbes, graviers anguleux associés à une matrice terreuse fine, plus ou moins bien litées, qui résultent de la gélifraction en climat glaciaire. C’est l’alternance de bancs calcaires argileux et de marnes qui constituent le quatrième ensemble géologique révélant des plaines sèches et des plateaux que recoupe le tracé de la ligne. Du Pk 80 au Pk 102 (inclus), la ligne repose sur une alternance de bancs souvent métriques, essentiellement en calcaires argileux séparés par des marnes.

Certaines zones sont très argileuses avec une grande puissance de marnes ou bien plus calcaires avec de très fines intercalations argileuses (quelques centimètres) et souvent des bancs très durs. Plus précisément, les bancs de calcaires deviennent de plus en plus durs lorsqu’on avance sur la ligne. Du Pk 80 au Pk 87 (inclus), les calcaires de Fors constituent une première barre résistante, bien marquée

dans le paysage par une cuesta dominant la dépression des marnes du troisième ensemble géologique vu précédemment.

Plus au sud, sous le bras alluvionnaire de la Courance, entre le Pk 91 et le PK 97 (inclus) le calcaire est plus dur que les calcaires de Fors et forment une seconde cuesta. Aux environs du Pk 87 au Pk 89 (inclus), ainsi qu’au Pk 92 et au Pk 95, la ligne recoupe des zones d’alluvions fluviatiles récentes argilolimoneuses à argilocalcaires, révélées par la Courance, reposant parfois sur des petites formations tourbeuses localisées dans les dépressions des principales vallées, comme aux Pk 88 et 89 (Marais de la Gorre). Ces terrains tourbeux sont caractérisés par l’absence de résistance à toute pression. Enfin, plus au sud encore, une troisième ligne de relief est constituée par les assises des calcaires du Jurassique inférieur plus résistantes encore entre les Pk 99 et 102 (inclus).

Le cinquième ensemble correspond au plateau d’Aunis, marnes, calcaires blanc crayeux, et calcaires sublithographiques (Jurassique supérieur). À partir du Pk 103, le tracé recoupe des terrains composés majoritairement par des calcaires blanc crayeux et de calcaires sublithographiques, disposés en strates régulières et alternant avec des niveaux marneux décimétriques. Ce niveau fait au total une trentaine de mètres d’épaisseur. Une zone du Pk 103, au Nord de Surgères, recouvre un placage peu épais de limons argilocalcaires. Ces limons contiennent de nombreux petits nodules de limonite, des graviers et des petits galets calcaires ou siliceux. Entre les PK 119 au PK 120, la ligne traverse un îlot de calcaire corallien.

Concernant l’hydrogéologie des terrains traversés, les principaux constats se concentrent sur les secteurs de Niort et du Marais Poitevin. En sortant de Niort, les marnes du troisième ensemble géologique présentées précédemment forment le mur d’une nappe dont le magasin est représenté par le calcaire argileux et marnes (quatrième ensemble géologique). Cette nappe dont la transmissivité s’exprime autour de 10^-3 m/s au niveau de St Symphorien (Pk 80), forme un réseau aquifère libre, qui alimente les puits particuliers et quelques captages. Pour les basses terres du Marais poitevin (à l’ouest de Niort), le problème majeur a toujours été celui du contrôle des eaux pour protéger le sol des crues des rivières. L’ensemble de la plaine alluviale se situe au maximum au niveau des plus hautes mers et est pratiquement horizontal. Le Marais mouillé constitue une zone d’épandage pour les crues d’hiver et

plaines que traverse la ligne du Pk 90 au Pk 102 (inclus), les calcaires affleurants recèlent souvent, à faible profondeur, une série d’aquifères libres, résultant de l’altération superficielle de ces roches et dont les émissaires alimentent les cours d’eau voisins. Les circulations d’eau se font dans les fissures et les niveaux marneux. Du côté de Périgny (Pk 134), la nappe phréatique subit des variations saisonnières importantes, d’environ 3 m. Alimentés en période de crue, par débordement de la nappe, les ruisseaux temporaires se manifestent dans les talwegs.

b. Analyse des données de la ligne St Benoit à La Rochelle

La Figure I.29 présente la vitesse de dégradation (augmentation du NL par an ; calculé à partir la pente telle que présentée à la Figure I.13) par rapport au point de kilomètre pour la voie 1 et voie 2.

Dans l'ensemble, il y a une concordance entre les deux voies ; les pics de la voie 1 apparaissent simultanément sur la voie 2, à l’exception de quelques zones caractéristiques au niveau des Pk 80 et 110.

Figure I.29 : La vitesse de dégradation le long de la ligne étudiée (Duong, 2013)

La Figure I.29 permet d’identifier les zones à forte dégradation, celles-ci sont principalement localisées aux environs des PK 73, 79, 88, 99 à 103, de 106 à 114 et 122. Si l’on se réfère à la carte géologique, on peut conclure que ces secteurs correspondent aux zones où les terrains sont largement constitués de sols fins comme des calcaires, des marnes, des marno-calcaires, des dépôts alluviaux ou colluviaux ; de la tourbe ou encore des argiles. Il est important de noter que ces sols sont sensibles aux changements de la teneur en eau et aux sollicitations cycliques engendrées par le passage des circulations. Pour ce qui est des sols comme la tourbe, les dépôts alluviaux et les colluvions, ceux-ci

70 80 90 100 110 120 130 140

0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5

Track 1 Track 2

D eg ra d at io n r at e (m m /y ea r)

Kilometer

sont très compressibles et n'ont pas les propriétés mécaniques requises pour soutenir une infrastructure ferroviaire et les sollicitations qu’elle engendre. Cela peut expliquer le taux d'accroissement élevé de NL dans ces zones. En revanche, si l’on regarde le PK 123 situé en extrémité de ligne, l’évolution du NL diminue à mesure que l’on se rapproche du terminus ce qui indique une bonne performance des voies. Cela s'explique notamment par la nature du sous-sol constitué de calcaire dur.

La présente analyse a mis en évidence l’influence du sous-sol dans la tenue du nivellement longitudinal de la voie ferrée. Ainsi, lorsque le sol possède de faibles propriétés mécaniques, celui-ci n’est pas apte à servir de fondation de la voie ferrée. Dans ce cas, il est alors nécessaire de prévoir des solutions d’amélioration pour satisfaire aux exigences requises.

Figure I.30 : La vitesse de dégradation de la voie 1 selon (a) l'année de pose du rail et (b) l'année de pose de la traverse (Duong, 2013)

pas clairement l'évolution du NL sur un certain nombre de secteur. Par ailleurs, si l’on admet que l’on peut avoir une hétérogénéité (ancienneté) d’armement entre la voie 1 et en voie 2, la coïncidence entre la vitesse de dégradation de la voie 1 et voie 2 (Figure I.29) indique que l’évolution du NL doit probablement provenir de la sous structure, ce qui justifie l’importance à accorder à l’étude sur la couche intermédiaire.

Figure I.31 : La vitesse de dégradation de la voie 2 selon (a) l'année de pose du rail et (b) l'année de pose de la traverse (Duong, 2013)

La Figure I.32 présente la corrélation entre la vitesse de dégradation de la voie 1 et celle de la voie 2. On observe que le NL de voie 1 a augmenté plus rapidement que celui de la voie 2, comme l’indique la présence d’un grand nombre de points non centrés sur la ligne de « même dégradation ».

70 80 90 100 110 120 130 140

Figure I.32 : Corrélation entre le taux de dégradation de la voie 1 et voie 2 (Duong, 2013)

L'évaluation de l’ensemble de la ligne a permis d'identifier des zones où la vitesse de dégradation du NL est différente d’une voie à l’autre. Cette vitesse est présentée dans la Figure I.32 avec les symboles noirs. On remarque qu’il est possible de faire le lien entre la dégradation du NL et la présence de fines.

La Figure I.33 montre que la plupart des zones contenant des particules fines correspondent à des zones avec un taux d'accroissement de NL élevé. Ces fines particules proviennent probablement du sol support par le phénomène de « remontée boueuse ». Ainsi, les sols contenant des fractions fines peuvent être préjudiciables à la bonne tenue de la voie s’ils ne sont pas correctement drainés et qu’il n’y a pas de couche de séparation/filtration entre le sol support et le ballast. En effet, pour ce genre de sols, une diminution des performances mécaniques peut être attendue lorsque la teneur en eau augmente.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Normal zone

Zone with fine particles presence

Track 2

Track 1

Figure I.33 : Corrélation entre la vitesse de dégradation du NL et l'épaisseur du ballast couche intermédiaire et colmaté pour la voie 1 - données de train carotteur. a) des zones singulières et b) zone normale (Duong, 2013)

La Figure I.33 présente la corrélation entre l'épaisseur de ballast colmaté, de la couche intermédiaire (e) et la vitesse de dégradation du NL pour les zones singulières (Fig. a) et les zones courantes (Fig. b), sur la voie 1. Les zones singulières correspondent à la zone des gares, des ponts ou des viaducs. Les autres zones sont désignées comme étant des zones courantes. La même étude est présentée dans la Figure I.34 pour la voie 2. Les zones singulières, voie 1 (Figure I.33a) présentent une tendance à la baisse brutale de la vitesse de dégradation avec l'augmentation de l’épaisseur des couches d’assise, alors que cette tendance n'est pas respectée pour la voie 2 (Figure I.34a). Pour les zones courantes, malgré un nuage de points épars qui peut s'expliquer par la présence de ballast colmaté, pris en compte dans l'étude, la voie 1 (Figure I.33a) et la voie 2 (Figure I.34a) présentent une diminution de la vitesse de dégradation lorsque l’épaisseur de couche augmente. Il est donc important d’avoir une couche intermédiaire épaisse pour diminuer la contrainte appliquée au sol support qui peut conduire à une déformation importante de la voie. C'est ce qui explique la tendance à la diminution de la vitesse de dégradation avec l'augmentation de l’épaisseur.

Thickness of interlayer and fouled ballast (m) (a)

Thickness of interlayer and fouled ballast (m)

Figure I.34 : Corrélation entre la vitesse de dégradation du NL et l'épaisseur du ballast et ballast colmatée pour la voie 2 - données du train carotteur. a) Zones singulières et b) Zone courante (Duong, 2013)

Figure I.35 : Corrélation entre la vitesse de dégradation du NL et l'épaisseur du ballast et ballast colmatée - données de Panda et Endoscope. a) Voie 1 et b) Voie 2 (Duong, 2013)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Thickness of interlayer and fouled ballast (m) (a)

Thickness of interlayer and fouled ballast (m)

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Thickness of interlayer and fouled ballast (m) (a)

Thickness of interlayer and fouled ballast (m)

couche de forme ou la sous-couche ont été identifiés Selig et Waters (1994) ; Radampola et coll.

(2008).